留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

2014年  第31卷  第2期

石墨烯/纳米TiO2复合材料的制备及其光催化性能
周琪, 钟永辉, 陈星, 王岩, 刘平, 吴玉程
2014, 31(2): 255-262.
摘要:
以氧化石墨烯(GO)和钛酸四丁酯(Ti(OBu)4)作为初始反应物,采用乙醇溶剂热法合成了石墨烯/纳米TiO2复合材料,并利用XRD、FE-SEM、TEM、RAMAN和XPS等手段对石墨烯/纳米TiO2复合材料的晶体结构、形貌及元素形态等性质进行了表征,同时将复合材料应用于光催化降解甲基橙溶液,进行光催化性能评价。结果表明:Ti(OBu)4在乙醇溶剂中通过化学静电引力吸附到GO表面,经过溶剂热反应,GO被还原成石墨烯的同时,石墨烯的表面负载生长锐钛矿TiO2颗粒。随着溶剂热反应时间的延长,GO表面的活性基团减少,还原更加彻底,同时TiO2晶粒有一定的增大趋势;与纯TiO2相比,石墨烯/纳米TiO2复合材料光催化活性明显提高,石墨烯含量对复合材料的光催化活性有直接的影响。
纳米石墨烯复合材料的制备及应用研究进展
任芳, 朱光明, 任鹏刚
2014, 31(2): 263-272.
摘要:
石墨烯作为一种由单原子紧密堆积成的二维蜂窝状晶格结构碳材料,具有许多特殊的物理化学性质,使其在各个领域均表现出良好的应用前景。目前石墨烯及纳米石墨烯复合材料的制备和应用已成为材料界研究的重点和热点。在简要介绍石墨烯的结构和性质的基础上,介绍了石墨烯的4种制备方法——机械剥离法、化学气相沉积法、化学剥离法和化学合成法。总结了纳米石墨烯/聚合物复合材料以及纳米无机/石墨烯复合材料的制备及应用,并重点讨论了纳米石墨烯复合材料在生物医药、电子器件、微波吸收、传感器以及电极材料等方面独特的应用优势,展望了纳米石墨烯复合材料的发展前景及研究方向。
纤维增强热固性聚合物基复合材料层间增韧研究进展
董慧民, 益小苏, 安学锋, 张晨乾, 闫丽, 邓华
2014, 31(2): 273-285.
摘要:
综述了纤维增强热固性聚合物基复合材料(PMC)层间增韧的最新研究进展。热固性复合材料由于基体树脂高的交联密度而呈脆性,表现出低的冲击损伤阻抗和损伤容限特征。柔性聚合物层间增韧是改善聚合物基复合材料层间断裂韧性和抗冲击性的有效手段,且不会降低热固性树脂的热性能和高模量。目前有3种层间增韧方法:颗粒增韧、聚合物纤维增韧和薄膜增韧。讨论了3种方法的概念、实施方案、增韧机理及研究成果。最后重点阐述了创新性的复合材料“离位”增韧思想,介绍了具有全部自主知识产权的“离位”复合材料高性能化技术体系,包括预浸料和液态成型两大复合材料产品系列。
碳纳米管/聚乙烯复合物分子动力学模拟研究
孙伟峰, 高俊国, 郭宁
2014, 31(2): 286-294.
摘要:
采用分子动力学方法模拟了碳纳米管/聚乙烯复合物的结构、热力学和力学特性,分析其随模拟温度和碳纳米管填充率的变化。模拟结果表明,碳纳米管/聚乙烯复合物为各向同性的无定形结构,聚乙烯和碳纳米管通过较强的范德华作用结合在一起,在聚乙烯基体作用下,碳纳米管壁上的碳原子排列的周期性下降,出现弯曲和褶皱。从能量上看,填充率较高的复合物更加稳定。碳纳米管/聚乙烯复合物具有比聚乙烯体系更高的等容热容和与聚乙烯体系相反的负值热压力系数,热容随碳纳米管填充率的变化较小,但随温度的升高而明显减小,具有显著的温度效应;热压力系数随温度的变化较小,温度稳定性比聚乙烯更好,但随填充率增加而减小。碳纳米管/聚乙烯复合物的力学特性表现出各向同性材料的弹性常数张量,弹性模量和泊松比比纯聚乙烯体系高得多,并且都随温度的升高和碳纳米管含量的降低而减小,说明加入碳纳米管可显著改善聚乙烯的力学性质。
Z-pin植入对二维机织复合材料层合板力学性能影响的数值模拟
张涛涛, 周洪, 史文华, 燕瑛
2014, 31(2): 295-303.
摘要:
针对植入Z-pin后的碳纤维增强平纹机织复合材料的微观结构,建立了含Z-pin机织复合材料单层板和层合板的单胞模型。预测了Z-pin直径、分布间隔对单层板的面内纵向拉伸力学性能的影响,发现含有Z-pin的机织复合材料单胞在受面内拉伸时,会在Z-pin附近出现应力集中,单胞首先会在应力集中区域发生失效而导致强度降低。通过三维单胞模型模拟了Z-pin在层合板中拉出脱离的过程,得出了不同Z-pin直径、不同分离层厚度下的拉拔力-位移曲线。建立了用非线性弹簧模拟Z-pin的双悬臂梁(DCB)模型,结合虚拟裂纹闭合技术(VCCT),模拟了含有Z-pin复合材料层合板的Ⅰ型裂纹扩展,结果表明:Z-pin直径越大,分布越密,层合板的等效Ⅰ型应变能释放率 GIC越大,且直径越大,GIC 随裂纹扩展的波动幅度越大,分布越密,GIC 波动的波长越小。
定型剂对单轴向经编织物复合材料力学性能影响的试验研究
李丽英, 孟松鹤, 张涛, 王国勇, 田正刚
2014, 31(2): 304-316.
摘要:
研究了真空辅助树脂注射(VARI)工艺中定型剂对环氧树脂的影响及其在织物表面的分布形式,以及定型剂用量对单轴向经编织物复合材料力学性能的影响,以确定最优的定型参数。采用示差扫描量热法(DSC)和扫描电镜(SEM)分别对加入不同用量定型剂的环氧树脂的玻璃化转变温度和相形貌进行分析,并测试了加入不同用量定型剂后复合材料的力学性能。结果表明:随着定型剂用量的增加,环氧树脂的玻璃化转变温度逐渐降低,且其相形貌逐渐由海岛结构经过双连续相结构到最后的相反转结构;室温下,随着定型剂用量的增加,织物表面定型剂的厚度及不均匀性增加,经过高温处理后,定型剂均匀分布在织物表面。定型剂用量对单轴向经编织物复合材料力学性能有较大影响,用量为20 g/m2时,复合材料体系的综合力学性能最优。
玻纤表面动态润湿行为
杨浩邈, 曾庆文, 张南夷, 彭晓东, 谢卫东
2014, 31(2): 317-322.
摘要:
提出了采用线性回归处理分析玻纤与浸润液体动态润湿的新方法,结合高精度电子天平,表征了玻纤表面动态润湿性能。研究结果表明:在玻纤表面动态润湿过程中,随着润湿速度的增加,动态接触角有增大的趋势,玻纤与去离子水、乙二醇、760E环氧、CYD128环氧的接触角分别由66.04°、42.21°、51.31°、73.90°增加到69.05°、46.95°、74.58°、170.06°,玻纤表面可润湿性能下降。玻纤表面动态润湿过程中,黏度越大,随着润湿速度增加,可润湿性能下降越快,即玻纤与CYD128环氧体系的接触角下降96.16°,而与760E环氧树脂和乙二醇的接触角下降分别为23.27°和4.74°。基于新方法的玻纤表面动态润湿系统中,玻纤所受作用力随三相接触线移动速率和浸润液体黏度的增加而增大。
巯基功能化纳米Fe3O4 高分子磁性复合材料的合成及其对水中亚甲基蓝的吸附作用
陈君良, 姚屠鹏, 朱宏亮, 潘胜东, 沈昊宇
2014, 31(2): 323-330.
摘要:
采用悬浮聚合法制备了巯基功能化纳米Fe3O4 -高分子磁性复合材料(SH-nFe3O4-polymer )。通过TGA、EA、AAS、XRD、FTIR、TEM、VSM等手段对合成的SH-nFe3O4-polymer进行了组成、结构、形貌、磁性等表征,并研究了其吸附和去除水中亚甲基蓝(MB)染料的性能。结果表明:合成的SH-nFe3O4-polymer平均粒径为250~300 nm,饱和磁化强度为5.88 emu/g;SH-nFe3O4-polymer对MB的等温吸附线符合Langmuir模型,饱和吸附量为476.2 mg/g,高于四乙烯五胺功能化纳米Fe3O4-高分子磁性复合材料(TEPA-nFe3O4 -polymer,30.6 mg/g)和不含磁核的巯基功能高分子材料(SH-polymer,74.6 mg/g)。吸附热力学研究表明,SH-nFe3O4-polymer对MB的吸附过程是自发的吸热熵增过程;吸附动力学研究表明,吸附过程可在10 min内达到平衡,符合准二级动力学模型;其吸附过程的活化能为9.53 kJ/mol。SH-nFe3O4-polymer能有效去除水中的MB,其对MB的吸附机理涉及静电相互作用、π-π相互作用和疏水相互作用;磁核的存在可以形成微电场,有利于加速吸附过程的传质,确保吸附过程快速有效地进行。
快速和高精度透视测量玻璃纤维/树脂复合材料构件内部的离面位移
董博, 徐金雄, 白玉磊, 刘羽飞, 张程潇, 周延周
2014, 31(2): 331-337.
摘要:
提出一种光学干涉谱域相位对照B扫描,透视测量透明或半透明玻璃纤维/树脂复合材料内部离面位移的方法。针对玻璃纤维增强树脂基复合材料,设计了一种由树脂层模仿树脂基体、气隙层模仿裂缝气隙、玻璃层模仿玻璃纤维构成的树脂-玻璃复合构件,然后以此复合构件作为标定和量化系统的标准件进行实验研究。通过对平滑或散斑表面树脂-玻璃复合构件分别进行加载前后干涉光谱的两次拍摄,完成构件内部切面的离面位移测量,测量速度快。该系统的视场范围为3.5 mm、轮廓测量分辨率为±26.6 μm、离面位移测量精度为±0.1 μm、测量深度为2.66 mm。该方法在玻璃纤维增强树脂基复合材料力学性能测量和无损检测领域应用前景良好。
木聚糖酶处理对西南桦木/HDPE复合材料性能的影响
周亚巍, 宁莉萍, 王燕高, 谢达华, 伍胜, 王俊
2014, 31(2): 338-344.
摘要:
采用木聚糖酶溶液对西南桦木粉进行处理,并利用热压成型工艺制得西南桦木/高密度聚乙烯(HDPE)复合材料,考察酶溶液浓度、处理时间及温度对西南桦木/HDPE复合材料拉伸强度、弯曲强度等力学性能的影响,从而获得木聚糖酶处理的最佳工艺条件。借助傅里叶红外光谱分析技术和扫描电子显微镜,分析木聚糖酶处理后西南桦木纤维的化学官能团变化和西南桦木/HDPE复合材料的断面形貌。结果表明:木聚糖酶处理能够增强西南桦木/HDPE复合材料的界面结合。在木聚糖酶溶液浓度为2.67 mg/L,温度为40℃,pH值为4.5的条件下处理2 h后,西南桦木粉的纤维素相对含量及结晶度增加,半纤维含量减小,木质素相对含量增加;木纤维的材质变软、表面变得粗糙,增大了与塑料分子的接触面积,从而提高了西南桦木/HDPE复合材料的力学性能。
耐350℃ RTM聚酰亚胺树脂及其复合材料性能
张朋, 周立正, 包建文, 钟翔屿, 刘刚, 陈祥宝
2014, 31(2): 345-352.
摘要:
以苯乙炔苯酐(4-PEPA)为封端剂,异构联苯四甲酸二酐(α-BPDA)作为二酐单体,通过选择合适的二胺单体及优化配比,研制了耐温等级高于350℃,适用于RTM工艺的聚酰亚胺基体树脂HT-350RTM,选用U3160单向碳纤维织物作为增强体,采用RTM工艺制备了HT-350RTM树脂基复合材料层合板(U3160/HT-350RTM)。结果表明:HT-350RTM树脂最低黏度可达390 mPa·s,在280℃下保持黏度低于1 Pa·s的时间大于2 h,能够满足RTM工艺的要求。经过高温固化后,HT-350RTM树脂的玻璃化转变温度为392℃,热分解温度(分解5%)高达537℃。采用RTM工艺制备的U3160/HT-350RTM复合材料层合板孔隙率仅为0.34%,室温下具有良好的基本力学性能,315℃和350℃下的力学性能保持率均高于60%,能够满足350℃工况下的长期使用要求。
类水滑石的制备与改性及其在聚丙烯阻燃中的应用
杨保俊, 薛中华, 王百年, 张志刚, 李茜, 李乐
2014, 31(2): 353-361.
摘要:
采用共沉淀法制备了镁铝类水滑石(LDHs)前驱体,加入少量聚磷酸铵(APP)制得APP-LDHs,探讨了不同质量分数APP对LDHs晶体生长的影响;当APP在LDHs前驱浆液中添加量为0.8wt%时,将APP-LDHs与季戊四醇(PER)、硅烷偶联剂KH-550进行球磨混合,制备插层包覆改性的LDHs;通过XRD、FTIR、SEM和TG等对改性前后的LDHs进行了表征;采用极限氧指数(LOI)、垂直燃烧测试(UL-94)、缺口冲击和弯曲实验等方法研究了LDHs改性前后LDHs/聚丙烯(PP)复合材料的阻燃性能及力学性能的差异。研究结果表明:APP的加入,未显著影响LDHs的层板生长,但其层板堆叠受到抑制;SEM观察表明,所制备的LDHs为片状,且经插层包覆改性后的LDHs粉体形貌较为规整,颗粒粒径为100~250 nm;改性LDHs在较高温度下的热稳定性显著优于未改性的LDHs;当PP中加入质量分数为20%的LDHs及改性LDHs时,可抑制PP燃烧时产生的熔滴,并促使LDHs/PP复合材料表面形成炭层;改性LDHs/PP复合材料具有更好的阻燃性能,且其冲击强度、弯曲强度等力学性能下降不明显。
竹纤维/聚乳酸可生物降解复合材料自然降解性能
郑霞, 李新功, 吴义强, 李贤军
2014, 31(2): 362-367.
摘要:
通过注射成型工艺制备竹纤维/聚乳酸(BF/PLA)可生物降解复合材料。利用X射线衍射(XRD)、凝胶渗透色谱(GPC)、三维视频显微镜及扫描电镜(SEM)等分析手段研究了BF/PLA复合材料自然降解性能。研究结果表明:BF/PLA复合材料自然降解过程中BF首先降解,PLA逐步分层缓慢降解,复合材料质量逐渐减少;PLA分子链上酯基与水反应,分子链不断断裂,结晶度减小,平均分子量降低,分子量分布变窄;复合材料颜色变深,表面变得粗糙不平,部分裸露的BF清晰可见,其拉伸强度和冲击强度逐渐下降。12个月后,BF/PLA复合材料质量损失率达到8.87%,PLA重均分子量降低了25.9%,复合材料的冲击强度和拉伸强度分别降低了44.0%和43.8%。BF/PLA可生物降解复合材料在土壤中的自然降解效率较低。
石墨烯微片表面接枝PMMA及其环氧树脂复合材料性能
许丹, 隋刚, 杨青, 张清杰, 曾娟娟, 杨小平
2014, 31(2): 368-374.
摘要:
利用石墨烯微片(GNPs)表面羟基与硅烷偶联剂反应,并通过原子转移自由基聚合(ATRP)方法在GNPs表面接枝了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。应用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、红外光谱和X射线衍射方法分析了化学接枝前后GNPs的微观结构变化。将接枝PMMA的GNPs加入环氧树脂中,研究其对环氧树脂力学性能与尺寸稳定性的影响。研究结果表明,与原始GNPs相比,表面接枝PMMA的GNPs对环氧树脂力学性能的增强作用更明显。添加质量分数为0.5%的GNPs-PMMA可以使环氧树脂拉伸强度和模量分别提高17.4%和75%,弯曲强度和模量也分别增加了6%和12%,同时可以使环氧树脂在低于玻璃化转变温度的线性热膨胀系数(CTE)降低25%。
IsoTruss超轻复合材料结构制造及力学性能测试
赖长亮, 刘闯, 王俊彪
2014, 31(2): 375-382.
摘要:
IsoTruss是一种结合了轻质材料与轻质构型双重优势的新型超轻复合材料结构。为分析和验证其力学性能,在分析和总结IsoTruss结构构型特征和制造工艺的基础上,设计了一套柔性成型模具。采用该模具,运用湿法缠绕工艺和芳纶纤维强化工艺,制造了8节点单重IsoTruss构件,并测试了试件的轴压、弯曲和扭转力学性能。轴压试验结果显示,IsoTruss试件平均压缩刚度质量比为1944.8 (kN/mm)/kg,平均压缩强度质量比为833.8 kN/kg,达到同类构件性能,且高于相近外形尺寸的复合材料格栅柱状结构,验证了所采用的工艺方案和所设计的柔性模具能够满足IsoTruss结构的制造需求。
SnO2修饰石墨毡电极的制备及其性能表征
乔永莲, 刘会军, 许茜, 孙福权
2014, 31(2): 383-387.
摘要:
采用H2O2对石墨毡(GF)进行预处理,然后在其表面电沉积Sn,最后在120℃烘箱氧化24 h制备出SnO2修饰的石墨毡电极。通过扫描电镜(SEM)对SnO2修饰前后的石墨毡表面形貌进行表征,采用循环伏安法研究了SnO2修饰后石墨毡电极的电化学性能。结果表明:SnO2能够均匀地包覆在石墨毡表面;SnO2修饰石墨毡后V4+/V5+电对的氧化峰的峰电流由0.0538 A增加到0.0708 A,与未处理石墨毡相比增加了31.5%,反应峰出峰持续时间提高,说明SnO2对V4+/V5+电对电极过程具有一定的催化作用。析氧电位由1.382 V增加到了1.517 V,使电极在VOSO4溶液中的电化学窗口变宽。
SiCP/AZ91复合材料的显微组织、力学性能及强化机制
邓坤坤, 王翠菊, 王晓军
2014, 31(2): 388-395.
摘要:
通过搅拌铸造工艺制备出SiCP体积分数分别为2%、5%、10%和15%的4种5 μm SiCP/镁合金(AZ91)复合材料。对5 μm SiCP/AZ91进行了固溶、锻造和热挤压。通过与AZ91对比,研究了SiCP对AZ91基体热变形后显微组织和力学性能的影响规律。结果表明:SiCP/AZ91热变形后的晶粒尺寸取决于SiCP的体积分数。SiCP的体积分数由0%增加到10%时,SiCP/AZ91热变形后的平均晶粒尺寸减小;当SiCP颗粒继续增加到体积分数为15%时,平均晶粒尺寸反而增大。SiCP的加入能显著提高AZ91的屈服强度和弹性模量,并随颗粒体积分数的增加而增大。SiCP对AZ91基体的强化作用主要源于位错强化、细晶强化和载荷传递作用,其中,细晶强化对屈服强度的贡献最大。
微波可调BaSrZnSi2O7-Ba0.5Sr0.5TiO3复合陶瓷的结构与介电性能关系
张明伟, 辛乐
2014, 31(2): 396-401.
摘要:
采用传统电子陶瓷工艺制备出BaSrZnSi2O7-Ba0.5Sr0.5TiO3复合陶瓷,系统研究了其相结构、微观结构和介电性能。研究表明:随着BaSrZnSi2O7的加入,样品的居里峰向低温方向移动;但BaSrZnSi2O7加入量达到一定程度后,居里峰在一定的温度下保持稳定。调制特性变化规律类似于居里峰的移动。品质因数(Q值)的变化主要取决于微波材料加入后的"掺杂"和"复合"效果。当BaSrZnSi2O7质量分数为60wt% 时,复合材料表现出良好的综合特性:介电可调率为 16%(10 kHz),介电常数为152,Q值达到417(2.720 GHz),表明BaSrZnSi2O7-Ba0.5Sr0.5TiO3复合陶瓷是电可调微波器件很好的潜在应用材料。
Ag-SiO2-CeF3:Tb3+复合纳米粒子的制备与发光性质
栾丹, 刘桂霞, 王进贤, 董相廷, 于文生
2014, 31(2): 402-407.
摘要:
采用简单的液相法在室温下制备了均匀球形的Ag-SiO2-CeF3:Tb3+核-壳结构纳米复合发光粒子,并对其结构和性能进行了表征。测试结果表明:Ag-SiO2表面包覆上了结晶良好的六方晶系的CeF3:Tb3+。Ag-SiO2-CeF3:Tb3+纳米复合粒子为球形,尺寸约为45~60 nm,该纳米复合粒子与CeF3:Tb3+一样具有良好的特征绿光发射,均以544 nm附近的Tb3+5D47F5跃迁为最强发射峰,内核贵金属Ag纳米粒子对CeF3:Tb3+发光起到了一定的猝灭作用。Ag-SiO2-CeF3:Tb3+复合材料在生物检测、疾病治疗方面具有潜在的应用。
铁氧化物生物多孔陶粒的制备工艺及性能
鲍腾, 陈冬, 陈天虎, 庆承松, 朱晓
2014, 31(2): 408-415.
摘要:
以针铁矿(Goethite,GT)、锯末(成孔剂)和凹凸棒石黏土(粘结剂)为原料,在空气气氛下煅烧,制备出符合国家水处理标准的铁氧化物生物多孔陶粒(Iron Oxide-based Porous Ceramsite,IPC)。利用所制备IPC的抗压强度作为评价IPC质量的指标,通过单因素实验、正交实验来优化IPC的物料配比和煅烧工艺,并通过XRD、SEM,偏光显微镜(Polarizing Microscope-PM),比表面积(BET-SSA)等技术来表征IPC孔结构特征及其特性。结果表明:IPC材料的孔连通性好,大孔孔径为10~20 μm,抗压强度达到51~78 N,比表面积为79 m2/g,是一种以开放孔隙为主的多孔生物陶粒。在一定培养条件下进行陶粒的挂膜实验,结果表明,微生物可以通过IPC开放性孔隙深入IPC内部附着生长,该多孔陶粒生物负载量高于市售陶粒和颗粒沸石,可望为曝气生物滤池提供新的功能性载体材料。
Al2O3颗粒形貌对注凝成型ZrO2/Al2O3陶瓷性能的影响
曾金珍, 慕玮, 杨建, 万维, 丘泰
2014, 31(2): 416-422.
摘要:
采用3种不同形貌的Al2O3原料对注凝成型制备ZrO2/Al2O3(ZTA)陶瓷工艺中悬浮体的流变性能进行了研究。以低毒的单体N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)制备了ZrO2/Al2O3坯体和陶瓷。讨论了3种不同形貌的Al2O3原浆料的分散剂用量、球磨时间和固含量对浆料流变性的影响。Al2O3粉体呈扁平状有利于降低浆料的黏度,Al2O3粉体呈棒状对生坯强度的提高有利。制得的3种ZrO2/Al2O3坯体颗粒间结合紧密,抗弯强度分别达到21.45,19.87,25.90 MPa。Al2O3粉体呈颗粒状有利于最终陶瓷力学性能的提高,陶瓷的抗弯强度及断裂韧性分别为680 MPa和7.49 MPa·m1/2,453.1 MPa和6.8 MPa·m1/2,549.4 MPa和6.34 MPa·m1/2
V-N共掺杂TiO2/凹凸棒土光催化复合材料的制备及光催化性能
安兴才, 刘刚, 韩立娟, 陈作雁
2014, 31(2): 423-428.
摘要:
用溶胶-凝胶法制备了V-N-TiO2/凹凸棒土光催化复合材料,研究了V-N-TiO2/凹凸棒土的制备方法、V-N-TiO2与凹凸棒土的质量比、煅烧温度和煅烧时间对V-N-TiO2/凹凸棒土光催化性能的影响。在模拟太阳光条件下,以亚甲基蓝溶液为目标降解物,对V-N-TiO2/凹凸棒土光催化性能进行测定。研究结果表明:当V-N-TiO2与凹凸棒的质量比为1:3、煅烧温度为300℃和煅烧时间为2 h时,得到的V-N-TiO2/凹凸棒土光催化复合材料对亚甲基蓝的光催化性能最佳。
TiO2-MWCNTs的制备及TiO2-MWCNTs/epoxy复合涂层性能
何毅, 陈春林, 罗智, 钟菲, 徐中浩
2014, 31(2): 429-435.
摘要:
用混酸对多壁碳纳米管(MWCNTs)进行了酸化处理,然后通过溶胶-凝胶法制备了TiO2包覆MWCNTs(TiO2-MWCNTs)核壳材料,并通过X射线衍射(XRD)、热重分析(TGA)等手段对其包覆结果进行了验证。用硅烷偶联剂KH560对TiO2-MWCNTs及MWCNTs进行了改性,分别制备了TiO2-MWCNTs/epoxy、MWCNTs/epoxy复合环氧涂层以及纯环氧涂层,利用EIS测试了涂层的电学性能,通过材料试验机(MTS)测定了涂层的柔韧性,用扫描电镜(SEM)观察了涂层表面形貌。结果表明:TiO2-MWCNTs在环氧树脂中具有良好的分散性,TiO2-MWCNTs/epoxy复合涂层对腐蚀介质具有较好的抗渗透性能;TiO2包覆后大大增加了涂层的柔韧性。
Al-Sm2O3/聚氨酯复合涂层的近红外低反射与8~14 μm低发射率性能
张伟钢, 徐国跃, 乔加亮, 段凯歌
2014, 31(2): 436-440.
摘要:
以Al粉与Sm2O3为复合颜料,聚氨酯(PU)为黏合剂,制备了Al-Sm2O3/PU复合涂层。系统研究了涂层的微结构、红外发射率、近红外反射性能及力学性能。研究结果表明:Sm2O3的存在可有效降低涂层对1.06 μm近红外光的反射率,Al粉的存在可有效降低涂层在8~14 μm波段的红外发射率。通过调节Al粉与Sm2O3质量比,涂层在8~14 μm波段的红外发射率可在0.556~0.834范围内调节,涂层对1.06 μm近红外光的反射率可在35.1%~57.7%范围内调节。所制备Al-Sm2O3/PU涂层具备优良的力学性能,在不同Al-Sm2O3质量比下,其附着力与耐冲击强度分别可达到1级和50 kg·cm。Al-Sm2O3/PU复合涂层有望成为一种新型的具备低近红外光反射率与优良力学性能的低红外发射率涂层材料。
纳米坡缕石/铜复合材料对钢球摩擦副的摩擦学性能
吴雪梅, 周元康, 杨绿, 曹阳
2014, 31(2): 441-447.
摘要:
采用化学还原法和球磨共混添加法制备了纳米坡缕石/铜(P/Cu)复合材料,采用粒度分析仪和透射电子显微镜(TEM)对复合纳米粒子的粒度和形貌进行表征。利用四球摩擦磨损试验机考察了不同纳米P/Cu添加量和不同P与Cu配比的复合粉体作为润滑油添加剂对高副钢球摩擦副的摩擦学性能,利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)对摩擦表面进行形貌、元素性能分析。结果表明,所制备的纳米P/Cu粒径基本小于100 nm,分散稳定性良好,在纳米P/Cu为1wt%且P:Cu=3:1(质量比)添加量下表现出最优的摩擦学性能,其钢球磨斑直径比基础油的减小了20.7%。纳米P/Cu可在摩擦表面生成含Mg、Al、Si和Cu等元素的自修复膜,补偿摩擦磨损且使摩擦表面变光滑。
2D-C/SiC复合材料开孔件拉伸强度有限元计算
郭洪宝, 王波, 甄文强, 杨成鹏, 矫桂琼
2014, 31(2): 448-455.
摘要:
对2D-C/SiC复合材料开孔试件最小净截面图像进行观测,获得试件材料内部宏观孔洞的分布形态及密度分布梯度。通过对2D-C/SiC复合材料拉伸应力-应变行为进行非线性拟合,并利用理论模型计算与实验验证相结合的方法得到了材料密度与其拉伸模量和强度的关系,描述了不同密度2D-C/SiC复合材料的拉伸应力-应变行为。在此基础上,将制备工艺造成的试件材料密度分布的非均匀性和材料拉伸应力-应变行为的非线性引入到有限元模型中,进行开孔试件拉伸剩余强度模拟计算,预测结果与实验结果吻合较好。
改进V-型复合材料褶皱夹芯结构的制备及压缩性能
丛立新, 孙雨果, 高亮, 陈鹏
2014, 31(2): 456-464.
摘要:
以改进V-型褶皱夹芯结构为研究对象,采用模压成型法制备出改进的V-型复合材料褶皱芯子,结合二次粘接工艺将复合材料层合板与褶皱芯子进行复合得到一种新型复合材料褶皱夹芯结构。利用数值模拟与试验相结合的方法,重点考察了该结构在平压载荷作用下的力学响应及其破坏机制。通过引进纤维压溃模型,对该结构的损伤演化过程进行了描述,数值模拟与试验获得的压缩应力-应变曲线吻合较好。实验研究发现,相对密度的变化不仅对该结构的力学性能产生影响,而且将直接导致该结构的破坏模式发生转变。
基于几何因子的复合材料气动弹性剪裁设计
金朋, 宋笔锋, 钟小平, 安伟刚
2014, 31(2): 465-475.
摘要:
实现了基于几何因子的复合材料层合板建模,解决了几何因子与Natran的参数输入问题,并根据工艺约束中的最小铺层比例对几何因子可行空间进行了推导补充。在此基础上,提出了一种基于几何因子和Nastran的复合材料气动弹性剪裁优化设计方法。首先以总厚度和几何因子作为设计变量以及以Nastran作为求解器,以强度、刚度、颤振和发散速度以及几何因子相关性约束作为约束条件进行结构寻优,得到最优的铺层总厚度和几何因子。其次,以最优几何因子作为目标,进行铺层结构逆问题求解,约束条件为复合材料铺层工艺约束。因几何因子为铺层厚度和铺层顺序的表达式,与传统的多级优化相比,以几何因子作为设计变量可以避免铺层厚度和铺层顺序的解耦,进而获得更大的设计空间,且得到的铺层结构可以满足工艺约束。最后,对一矩形悬臂复合材料层合板进行剪裁设计,使得铺层结构满足气动弹性约束且质量最小。结果显示,运用该优化方法可以得到质量更小且满足工艺约束的铺层结构。
基于最终层失效的复合材料舱体稳健性协调优化
高海朋, 刘猛, 王浚
2014, 31(2): 476-484.
摘要:
传统可靠性设计难以符合现代设计要求,对舱体进行稳健性优化设计,可提高其综合可靠性。基于基体破坏和纤维断裂两种失效模式,采用验算点法求解复合材料单层可靠度。基于最终层失效假设,提出把结构看作由串联子系统组成的并联系统的思想,结合材料刚度比率退化准则和单层可靠度理论,采用概率逐步失效分析方法,计算出主要失效链,从而得出结构的失效概率。复合材料舱体设计变量复杂,提出二级优化方法思想:一级为系统级布局优化,对加强筋截面形状、位置确定等参数进行优化;二级为子系统级尺寸优化,对筋截面尺寸、复合材料各铺层厚度等参数进行优化。采用自适应随机搜索遗传算法,以复合材料舱体质量最小为目标函数,以可靠度要求为约束条件,采用稳健性协调优化方法,对存在初始缺陷的复合材料舱体进行稳健性优化,为复合材料结构优化设计提供参考。
带表面防护层复合材料层板的低速冲击及冲击后压缩性能试验研究
何为, 关志东, 王进
2014, 31(2): 485-494.
摘要:
对增加了表面防护层的国产碳纤维/增韧环氧树脂CCF300/5228A层板的低速冲击及冲击后压缩性能进行了试验研究。通过落锤式低速冲击试验,得到了各组层板的冲击接触力历程、凹坑深度和内部分层面积等特征,而冲击后压缩试验结果可用来对各组层板的损伤容限性能进行评估。结果表明,同裸板相比,加了表面防护层的层板其分层起始载荷变化不大,但形成同样的1.0 mm凹坑所需的冲击能量增大了24%~46%。而对于内部分层,在一定的冲击能量范围下,加表面防护层的层板的C扫分层面积比裸板减小了20%~50%,而在同样凹坑深度的情况下,层板在加了表面防护层之后分层面积变化不大。冲击后压缩性能与内部分层情况具有较大的关联性,同样冲击能量下分层面积较小的各组带表面防护层板,其冲击后压缩强度和破坏应变相对于裸板的提高在15%~50%之间,而在凹坑深度相同的情况下,二者的冲击后压缩强度和破坏应变相差不大。
多层级蜂窝材料的面内模量缺陷敏感性
王博, 陈友伟, 石云峰
2014, 31(2): 495-504.
摘要:
针对正六边形、Kagome和正三角形蜂窝,通过在孔壁表面附着弱材料层,提出了一种多层级蜂窝材料,并采用解析计算和数值计算的方法,围绕孔壁缺失这种最恶劣的缺陷类型,对蜂窝的体模量和剪切模量进行分析。结果表明,附着软层的多层级蜂窝材料比传统蜂窝抗缺陷性能提高,表现出较低的缺陷敏感性。在附着层的杨氏模量和原蜂窝材料比模量相同时,尽管附着层的杨氏模量比蜂窝母材低一个量级,但在附着层厚度是原蜂窝壁厚两倍时,正六边形和Kagome蜂窝的面内模量对缺陷的敏感性都明显降低。
单层与多层蜂窝芯玻璃钢蜂窝板的热性能模拟
郑吉良, 孙勇
2014, 31(2): 505-511.
摘要:
基于ANSYS有限元软件,模拟研究了玻璃钢蜂窝板的稳态、瞬态传热。在与实际试验保持一致的情况下,建立了玻璃钢蜂窝板流体与固体耦合传热平面模型,研究了蜂窝芯为不同工况时,玻璃钢蜂窝板稳态与瞬态热性能、热量传递机制,稳态的热性能的当量热导率的模拟结果与Swann and Pittman经验公式计算的结果十分吻合,并且瞬态表面热响应的模拟结果与试验结果也较吻合,说明ANSYS有限元方法能够准确模拟玻璃钢蜂窝板传热。此外,蜂窝芯腔表面间的辐射换热是玻璃钢蜂窝板的一个重要的热量传递机制,在高温情况下应考虑辐射换热。随着蜂窝芯高度的增加,玻璃钢蜂窝板的导热系数逐渐增大。玻璃钢蜂窝板的总高度固定时,随着蜂窝芯层数的增加,玻璃钢蜂窝板的导热系数逐渐降低,温度逐渐降低并趋于稳定值。
工艺参数对淀粉/EVA生物质材料挤出发泡的影响及BP神经网络的预测
曾广胜, 孙刚
2014, 31(2): 512-517.
摘要:
以淀粉和乙烯醋酸乙烯酯(EVA)为原料制备淀粉/EVA生物质发泡材料,研究了螺杆转速、模头温度和含水率对挤出发泡的影响,并应用人工神经网络技术建立双层BP网络模型,将其正交实验结果作为样本进行训练,对生物质发泡材料的膨胀率进行预测。结果表明,该BP神经网络模型能准确地预测出淀粉/EVA发泡材料的膨胀率,样品的膨胀率随着螺杆转速的增加而逐渐增大,在螺杆转速为320 r/min时达到最大值;样品的膨胀率亦随着模头温度的升高而逐渐增大,在140℃时达到最大值;含水量对淀粉/EVA发泡材料的膨胀率影响显著。
碳纤维上胶剂丙烯酸酯环氧复合乳液及应用
李金亮, 田艳红, 张学军
2014, 31(2): 518-524.
摘要:
采用自乳化法制备了甲基丙烯酸羟乙酯改性水性聚氨酯(AWPU)乳液,并与环氧(EP)乳液混合,通过红外、差示扫描量热法和热重法表征了AWPU、EP、AWPU-EP乳液在上胶过程中发生的化学反应及其耐热性能。结果表明:在温度低于300℃时,AWPU-EP复合乳液的热失重介于AWPU乳液与EP乳液之间;当温度高于350℃时,AWPU-EP复合乳液具有较好的耐热性,其最大失重速率温度由EP乳液的312.8℃和AWPU乳液的321.6℃提高到410.2℃。用AWPU质量分数为20%和80%的AWPU-EP复合乳液分别对碳纤维上胶时,所得碳纤维的集束性较好,耐磨性能优于用EP乳液上胶的碳纤维。
基于Polymer-S-C/SiO2多层结构大孔电极锂硫离子电池的制备与性能
陈宗宗, 张瑞丰
2014, 31(2): 525-531.
摘要:
以新型SiO2大孔材料为模板,采用原位聚合及真空热解的方法制备出大孔C/SiO2复合电极,并先后在孔道表面负载单质硫及聚合物膜后得到具有Polymer-S-C/SiO2多层结构的复合大孔电极。用SEM对电极结构进行表征,并测定了比表面积和负载物的平均厚度;用EIS和充放电测试对电极的电化学性能进行了研究。结果表明:聚合物膜厚度的增加可使电极的交流阻抗迅速增大,同时能明显改善锂硫离子电池的逆循环性,说明聚合物膜的存在能够有效抑制多硫化物中间产物的流失。改变单体的用量可以调控聚合物膜的厚度,当聚合物膜平均厚度为8.0 nm时,锂离子电池的循环性能达到最佳,其首次放电比容量达792 mA·h/g,经过50个循环后,可逆容量仍达到635 mA·h/g。